7 Konverter-Modelle, die jeder Ingenieur zuerst bauen sollte

Wichtigste Erkenntnisse

• Beginnen Sie mit einer Basisausrichtung und einer Buck-Phase, damit Ihre Wellenformen einfache, wiederholbare Prüfungen bestehen.
• Fügen Sie nicht ideale Details einzeln hinzu, damit Switch-basierte Modelle erklärbar und debugbar bleiben.
• Wählen Sie das nächste Modell anhand des zu erklärenden Verhaltens und der Zeitschrittgrenzen aus, nicht anhand der Topologie-Neuheit.

Bauen Sie sieben Starter-Umrichtermodelle, und Sie müssen nicht mehr über das Schaltverhalten rätseln. Welligkeit und Modulation werden zu Signalen, die Sie überprüfen können. Wir werden die Ergebnisse anhand derselben Basiswerte überprüfen.

Neue Ingenieure fragen immer wieder, welche Konvertermodelle Ingenieure zuerst bauen sollten. Wir können diese Frage mit einfachen Schaltungen beantworten, die sich schnell validieren lassen.

Wie diese Konvertermodelle praktisches Modellierungsvertrauen aufbauen

Eine Reihe von Konvertertypen verknüpft Schaltungszustände mit den von Ihnen gemessenen Wellenformen. Beginnen Sie mit einer schalterbasierten Modellierung, damit Kommutierung und Welligkeit sichtbar sind. Fügen Sie erst dann gemittelte Versionen hinzu, wenn die Schaltung die Prüfungen bestanden hat. Diese Routine verbessert die DC- und DC/AC-Modellierung, ohne Fehler hinter der Steuerung zu verbergen.

Frieren Sie die Steuerung bei festem Arbeitsverhältnis ein und validieren Sie zuerst den Energiefluss. SPS SOFTWARE hilft Ihnen, wenn Sie offene, überprüfbare Komponentenmodelle benötigen.

Verwenden Sie für alle Modelle eine einzige Sondenliste und überprüfen Sie jeweils nur einen Parameter. Durch Leistungsbilanz- und Voltsekundenprüfungen lassen sich die meisten Fehler frühzeitig erkennen.

„Durch Überprüfungen der Leistungsbilanz und der Voltsekunden lassen sich die meisten Fehler frühzeitig erkennen.“

7 Konverter-Modelle, die Ingenieure zuerst bauen sollten

Diese sieben Modelle folgen einer praktischen Reihenfolge. Jede Schaltung fügt ein Konzept hinzu und benötigt ein geplottetes Validierungssignal. Bauen Sie jede einmal mit idealen Bauteilen und dann einmal mit einem nicht idealen Detail.

1. Unkontrollierter Diodengleichrichter als Basis-Gleichstromquelle

Ein ungeregelter Diodengleichrichter vermittelt die Kommutierung ohne Steuerung oder Gate-Logik. Modellieren Sie eine einphasige Brücke, die einen Gleichstromkondensator und eine ohmsche Last speist. Zeichnen Sie die Diodenstromimpulse und die Gleichstrom-Busspannung auf und überprüfen Sie dann, ob die Welligkeit mit dem Laststrom ansteigt. Fügen Sie eine kleine Quelleninduktivität hinzu, beobachten Sie die Überlappungskonduktions-Streckimpulse und senken Sie den Bus. Messen Sie den Diodenleitungswinkel und den Eingangsstrom-Scheitelfaktor, damit Sie unrealistische Quellenmodelle erkennen können. Speichern Sie die Gleichstrombus-Welligkeitsdarstellung für spätere Vergleiche. Dieser Gleichrichter wird zum Gleichstromzwischenkreis, den Sie für Wechselrichter- und Motorlasttests wiederverwenden können.

2. Buck-Wandler zum Verständnis von Tastverhältnis und Welligkeit

Ein Buck-Wandler ist ein guter Ausgangspunkt für die DC-DC-Modellierung, da die Überprüfungen direkt erfolgen. Verwenden Sie einen idealen Schalter, eine Diode, eine Induktivität, einen Kondensator und eine ohmsche Last mit einem festen Tastverhältnis. Überprüfen Sie, ob die durchschnittliche Ausgangsspannung während der kontinuierlichen Leitung den Tastgrad der Eingangsleistung nachbildet. Durchlaufen Sie die Schaltfrequenz und überprüfen Sie, ob der Induktionswelligkeitsstrom mit steigender Frequenz abfällt. Erhöhen Sie die Last schrittweise und überprüfen Sie, ob sich der Ausgang mit einer durch L und C festgelegten Übergangsphase einpendelt. Wer sich fragt, wie man DC-DC-Wandler modelliert, sollte hier beginnen und dann die Sonden für jede neue Topologie wiederverwenden.

3. Aufwärtswandler für nicht ideales Schaltverhalten

Ein Aufwärtswandler macht nicht ideale Schaltvorgänge sichtbar, da die Stromübergänge scharf sind. Bauen Sie zunächst die ideale Schaltung auf und fügen Sie dann ein Detail hinzu, z. B. die Rückwärtserholung der Diode. Zeichnen Sie den Schaltstrom beim Einschalten auf und vergleichen Sie ihn mit dem Induktionsstrom, da bei einer Erholung eine Spitze auftritt. Zeichnen Sie die Schaltspannung beim Ausschalten auf und überprüfen Sie, ob die transiente Spitze und das Klingeln zunehmen, wenn Sie Streuinduktivität hinzufügen. Fügen Sie einen kleinen RC-Snubber hinzu und überprüfen Sie, ob die Spitzenspannung abfällt, während die Verluste steigen. Dieses Modell ermöglicht auch einen schnellen Test der Zeitauflösung bei der Schaltfrequenz.

4. Buck-Boost-Wandler zur Darstellung von Modusübergängen

Ein Buck-Boost-Wandler weist Betriebsmodi auf, die Annahmen über Polarität und Leitung widerlegen. Modellieren Sie den invertierenden Buck-Boost mit festem Tastverhältnis und einer ohmschen Last und verfolgen Sie dann das Vorzeichen der Ausgangsspannung und den Induktionsstrom. Führen Sie einen Sweep des Tastverhältnisses von 0,2 bis 0,8 durch und überprüfen Sie, ob die Verstärkungskurve mit steigendem Tastverhältnis steiler wird. Verringern Sie die Last, bis der Induktionsstrom Null erreicht und eine diskontinuierliche Leitung auftritt. Vergleichen Sie die gemessene Verstärkung in diesem Modus mit der geschätzten kontinuierlichen Leitung und beachten Sie die Abweichung. Die Moduserkennung sollte auf Zustandsvariablen basieren.

5. Isolierter Flyback-Wandler für magnetische Wechselwirkungen

Ein Flyback-Wandler zwingt Magnetik in Ihr Modell, da die Magnetisierungsinduktivität Energie speichert. Verwenden Sie ein gekoppeltes Induktionselement mit Windungsverhältnis, Magnetisierungsinduktivität und Streuinduktivität. Fügen Sie eine Klemme hinzu, damit die Schaltspannung begrenzt bleibt, wenn die Streuenergie freigesetzt wird. Überprüfen Sie die Primärstromrampe während des Einschaltintervalls und den Reset während des Ausschaltintervalls. Vergewissern Sie sich, dass der Magnetisierungsstrom in jedem Zyklus auf das erwartete Niveau zurückkehrt, was bestätigt, dass der Reset funktioniert. Zeichnen Sie den Magnetisierungsstrompeak auf, damit Sie das Sättigungsrisiko erkennen können. Erhöhen Sie die Streuinduktivität und vergewissern Sie sich, dass die Klemme Energie absorbiert.

6. Einphasiger Spannungsquellen-Wechselrichter mit idealen Schaltern

Ein Einphasen-Spannungswechselrichter ist ein schneller Einstieg in die DC/AC-Modellierung, da die Schaltfunktion leicht zu erkennen ist. Modellieren Sie eine Vollbrücke auf einem starren DC-Link und steuern Sie sie mit einem einfachen PWM-Muster an. Führen Sie eine RL-Last aus und zeichnen Sie die Ausgangsspannung, den Laststrom und die Welligkeit in der Nähe der Schaltfrequenz auf. Tauschen Sie PWM gegen eine Rechteckwelle aus und vergleichen Sie den Effektivstrom und den Spitzenstrom. Fügen Sie einen LC-Ausgangsfilter hinzu und überprüfen Sie, ob die Schaltwelligkeit mit zunehmender Phasenverzögerung abnimmt. Teams, die sich fragen, wie sie grundlegende Gleichstrom-Wechselstrom-Modelle aufbauen können, können mit diesem Wechselrichter und einer RL-Last beginnen.

„Erstellen Sie jedes einmal mit idealen Geräten und dann einmal mit einem nicht idealen Detail.“

7. Dreiphasen-Wechselrichter mit Basismodulation und Lastdynamik

Ein Dreiphasen-Wechselrichter vermittelt in einem Modell Phasenbeziehungen, Leitungsspannungen und Lastdynamik. Beginnen Sie mit einer symmetrischen dreiphasigen RL-Last und einer sinusförmigen Modulation mit festem Modulationsindex. Überprüfen Sie die symmetrischen Phasenströme und stellen Sie sicher, dass die Leitungsspannungen der erwarteten Grundschwingungsamplitude entsprechen. Durchlaufen Sie den Modulationsindex und überprüfen Sie, ob die Grundschwingungsspannung bis zur Sättigung linear skaliert. Speisen Sie den Gleichstromzwischenkreis aus Ihrem Gleichrichtermodell und beobachten Sie die Buswelligkeit in den Phasenspannungen. Fügen Sie eine kleine Lastunsymmetrie hinzu und überprüfen Sie, ob sich die Phasenströme wie erwartet verschieben.

Wie man entscheidet, welches Konvertermodell als nächstes gebaut werden soll

Wählen Sie das nächste Modell basierend auf den Konvertertypen, die Sie erläutern möchten. Schaltverluste erfordern eine schalterbasierte Modellierung, während die Regleroptimierung häufig mit einer gemittelten Leistungsstufe arbeitet, sobald die Wellenformen als zuverlässig gelten. Zeitschrittgrenzen und Schaltfrequenzen setzen dem Modellierungsdetail strenge Grenzen.

Beginnen Sie mit dem nächstgelegenen vorhandenen Modell und fügen Sie eine Funktion hinzu, z. B. Totzeit oder eine nichtlineare Last. SPS SOFTWARE eignet sich gut, wenn Sie bearbeitbare Modelle benötigen, die sowohl Studenten als auch erfahrene Ingenieure ohne Übersetzung lesen können.

Behandeln Sie das Modellieren wie eine Checkliste. Klare Prüfungen und Pass/Fail-Diagramme sorgen für einen reibungslosen Ablauf der Überprüfungen.